低温氢等离子体还原氧化石墨烯

　　还原氧化石墨烯是一种宏量制备石墨烯的有效方法，目前报道的还原方法包括物理和化学的方法，都存在各种各样的问题，比如危害环境，不兼容低温工艺等。本文提出了一种低温氧化石墨烯还原的方法。利用氢等离子体和氧化石墨烯反应，去除含氧官能团，实现还原氧化石墨烯。经过氢等离子体还原后，表征各个含氧官能团的吸收峰强度下降或者消失，Raman 光谱上D 峰强度的增加，都证实氧化石墨烯被还原。还原后薄膜电阻降低，确认了该方法的可行性。

　　从2004 年安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫证明石墨烯可以自持存在开始，大量研究表明其具有突出的电学、热学、机械学、光学等优异性能。研究主要集中在以下三个方面，一是从物理学角度研究石墨烯的原子结构、电子传输、自旋特性以及量子效应等基本理论；二是尝试不同的石墨烯制备和生产方法，以期望获得高效、廉价的、晶格完美、无缺陷、可控的单层以及多层石墨烯薄膜；三是基于石墨烯和氧化石墨烯的各种应用层面的器件研究。其中就宏量制备来讲，从氧化石墨烯(GO)还原到不同程度的还原氧化石墨烯，是一种有潜力的方法。

　　大量的研究集中在采用何种方法还原氧化石墨烯，其中，化学还原法和高温退火物理还原法倍受关注，N2H4可以高效的还原氧化石墨烯，然而其化学毒性，对环境不利；高温退火仅仅可以去除部分的含氧官能团，实现GO 的部分还原，且高温工艺和目前IC 工艺不兼容。另外，各种碱还原，酸还原，激光还原，金属粉末还原等方法陆续报道。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这些方法均不能同时实现低温、环境友好工艺。

　　本文报道了一种低温等离子体还原GO 的方法，通过Raman 光谱、吸收光谱和电阻表征，证实了该方法的可行性。

　　1、实验方法以及性能表征

　　1.1、实验

　　实验用的GO 是采用Hummer 方法制备得到，制备所得的粉末状GO，通过超声均匀分散在水溶液中，后旋涂制备在白玻璃基底上，其表面形貌如图1 (c)。还原工艺基本原理和装置如图1(a)所示，充入工艺气体(氨气)，产生低温的氢等立体子，和GO 的氧官能团发生反应，生成可挥发的物质，实现GO 的还原。实验中实时监控等离子体发射光谱，探测等离子体的成份。

图1 (a)还原工艺基本原理和装置,(b) 电阻测试，(c)GO 薄膜表面(光学显微镜)

　　1.2、测试

　　图1(b)给出了电阻测试的示意图，图形化电极使用磁控溅射和掩膜制备，通过测试等离子体处理前和处理后的电阻， 表征其还原程度。

　　Raman 光谱测试采用了显微拉曼光谱仪获得，工作时的激发波长为532 nm。吸收光谱是在ATR模式下测试得到。等离子体发射光谱采用了Avantes 公司生产的九通道光谱仪测试得到，其光谱分辨率为0.03nm。

　　3、结论

　　本文利用低温氢等离子体和GO 作用，荷能的氢粒子容易和含氧官能团发生反应，生成可挥发的成份，实现氧化石墨烯的还原。吸收光谱的测试结果表明，还原后表征各个含氧官能团的吸收峰强度明显下降；同时从Raman 光谱的演变上，也同样印证了含氧官能团被去除。电阻明显降低，从宏观性能进一步证实了，该方法可以有效的还原氧化石墨烯。另外，我们建议了该方法的还原机制。

　　本文的研究成果，有望提供一种环境友好，兼容低温工艺的还原方法，为GO 在光电子学应用领域中，提供一种制备的新途径。当然，还需要做进一步的工作，比如如何实现特定官能团的定向去除，这将实现人为的操控石墨烯的能带结构，将更有利于其在光电领域的应用。